1、第1章 緒論第一節 機床機電一體化改造總體方案的設計1.1.1 課程設計任務書（1） 題目（2） 原始數據（3） 主要技術參數（4） 課程設計的內容及要求1.1.2 總體方案設計（1） 系統的運動方式的確定（2） 伺服系統的選擇（3） 執行機構傳動方式的確定（4） 數控系統的選擇第二節 開環伺服進給系統機械部分設計1.2.1 確定系統脈沖當量1.2.2 計算切削力1.2.3 滾珠絲杠螺母副的計算選型（縱向進給絲杠）（1） 計算進給牽引力（2） 計算最大動負載 （3） 滾珠絲杠螺母副的選型（4） 傳動效率計算（5） 剛度計算（6） 穩定性校核1.2.4 齒輪傳動比計算1.2.5 步進電動機的計算

2、和選型（1） 等效轉動慣量的計算（2） 電機力矩計算（3） 計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻率1.2.6 設計繪制伺服進給系統機械裝配圖第2章 機床機電一體化改造總體方案的設計第一節課程設計任務書2.1.1 題目：普通車床的機電一體化改造開環控制縱向進給系統設計2.1.2 原始數據：最大共建回轉直徑 在床身上D=400毫米； 在床鞍上 D=210 毫米最大工件長度 1000毫米主電動機功率 7.5千瓦；轉速1450轉/分2.1.3 主要技術參數（均為縱向）：最大進給速度 1.0米/分最大快移速度 4米/分起動加速時間 30毫秒移動部件重量 80公斤機床定位精度 0.015毫米 課程設

3、計的內容及要求：對CA6140型普通車床縱向進給系統進行數控改造，主要設計內容及要求如下：1、 采用開環控制，選擇合適的數控系統并確定伺服傳動系統方案；2、 設計改造后數控車床縱向伺服進給系統原理框圖；3、 設計繪制改造后數控車床縱向伺服進給系統裝配圖（0號圖紙一張）4、 設計繪制主要零件圖一張（由指導老師制定）5、 撰寫設計計算說明書一份，正文字數不少于0.8萬字，設計說明書應包含如下內容：（1） 設計任務書；（2） 目錄；（3） 摘要及關鍵詞；（4） 前言；（5） 正文：包括方案設計與比較論證、理論分析計算、主要機構設計說明與簡圖等；（6） 小結；（7） 參考文獻。設計說明書語言要流暢，書

4、寫要工整，一律使用鋼筆書寫。第二節 總體方案設計  系統的運動方式的確定由于改造后的經濟型數控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環加工、螺紋加工等功能，所以應該選用連續控制系統。 伺服系統的選擇應任務書的要求，采用步進電機開環控制系統。 執行機構傳動方式的確定為了保證一定的傳動精度和平穩性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，若直接將電機與滾珠絲杠聯必會引起絲杠溫度過高即磨損加劇使其壽命降低。故在其兩者之間加一消隙齒輪箱，一使絲杠速度降低，二則消除系統傳動中的間隙，提高傳動精度，并有效減少反向運動死區現象，消隙齒輪箱與絲杠可采用聯軸器形式連接，這樣便確定了如下圖2-1所

5、示的傳動方案。電機消隙齒輪箱滾珠絲杠螺母副工作臺圖2-1 執行機構傳動方案 數控系統的選擇 根據機床要求，本著經濟耐用的原則，確定采用8位機。MCS51系列單片機主要有三種型號的產品：8031、8051和8751。由于MCS51系列單片機的特點之一是硬件設計簡單，系統結構緊湊，故對于簡單的應用場合，MCS51系統的最小系統用一片8031外擴一片EPROM就能滿足開環控制的要求。8031單片機內含4kb EEPROM程序存儲器，具有功耗低、抗干擾能力強的特點，數據存儲器WM0016DRH是一種多功能非易失性SRAM，8031單片機高速高抗干擾自保持，不怕掉電，上下電百萬次數據無丟失，斷

6、電保護10年有效，既可高速連續讀寫，也可任意地址單字節操作，無需拼湊頁面，隨機讀寫不需等待，立即有效，輸入輸出TTL/CMOS兼容，上電復位輸出，掉電保護，內置看門狗，電源監測，不用外加電路和電池，且引腳與標準SRAM兼容。8031單片機價格低，使用靈活，其特點具具體表現如下：（1）具有功能很強的8位中央處理單元（CPU）；（2）片內有時鐘發生電路（6MH或12MH）；（3）片內具有128字節的RAM；（4）具有21個特殊寄存器。（5）可擴展64K字節的外部數據存儲器和64K字節的外部程序存儲器；（6）具有4個I/O口，32根I/O線；（7）具有2個16位定時器/計數器；（8）具有5個中斷源，

7、配備2個中斷優先級；（9）具有一個全雙功串行接口；（10）具有位尋址能力，適用邏輯運算。從上述特性可以看出這種8031芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機系統。所以應選用8031單片機。第3章 開環伺服進給系統機械部分設計第一節 確定系統脈沖當量根據機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/步，橫向0.005mm/步。第二節 計算切削力確定切削力（縱車外圓）主切削力按經驗公式估算：按切削力各分力比例： 取：第三節 滾珠絲杠螺母副的計算選型（縱向進給絲杠） 計算進給牽引力縱向進給為綜合型導軌式中考慮顛覆力矩影響的實驗系數，綜合導軌取；滑動導軌摩擦系數：溜板及刀架

8、重力：3.3.2 計算最大動負載式中滾珠絲杠導程，初選； 最大切削力下的進給速度，可取最大進給速度的（），此處取；使用壽命，按；運轉系數，按一般運轉取； 壽命，以轉為1單位。 滾珠絲杠螺母副的選型查閱附錄A表A-2，可采用外循環螺紋調整浴巾的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動負載為164000N，進度等級按表4-6選為3級（大致相當于老標準E級）。3.3.4 傳動效率計算式中螺旋升角，摩擦角，取，滾動摩擦系數3.3.5 剛度計算先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3-1所示。最大牽引力為2530N，支承間距，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的。圖3-1 縱向進給系統計

9、算簡圖（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量查課程設計指導書P17，圖4-2，根據，查出，可算出由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了 預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量為：（2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形查課程設計指導書P18圖4-3，W系列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量；因進行預緊，（3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用51107（舊代號為8107）型推力球軸承，滾動體直徑，滾動體數量z=18，注：此公式中的單位應為kgf。因施加預緊力，故據以上計算： 穩定性校核滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產生失穩現象，不需要作穩定性校核。 3.3.7 縱向滾珠絲杠副的幾何參數。表3-1 滾

10、珠絲杠的幾何參數名稱符號參 數螺 紋 滾 道公稱直徑40導 程6接觸角鋼球直徑(mm)3.969滾道法面半徑2.064偏心距0.056螺紋升角螺 桿螺桿外徑39螺桿內徑35.984螺桿接觸直徑36.0355螺 母螺母螺紋直徑44.016螺母內徑40.7938第四節 齒輪傳動比計算已取得縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電動機步距角。可計算出傳動比可選定齒輪齒數為： 故，取，模數取2.5。有關參數表3-2。表3-2 傳動齒輪的幾何參數齒 輪 編 號齒數323224分度圓808060齒頂圓858565齒根圓73.7573.7553.75齒寬202020中心距8070第五節 步進電動機的計算和

11、選型3.5.1 等效轉動慣量計算計算簡圖見圖3-1傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算：式中步進電機轉子轉動慣量、齒輪、的轉動慣量滾珠絲杠轉動慣量。參考同類型機床，初選反應式步進電機，其轉子慣量式中、齒輪、的分度圓直徑； 、齒輪、的齒寬。代入上式：考慮步進電機與傳動系統慣量匹配問題。基本滿足慣量匹配的要求。3.5.2 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按各階段計算：（1）快速空載起動力矩在快速空載起動階段加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：將前面的數據帶入，式中各符號意義同前。起動加速時間 折算到電機軸上的摩擦力矩： 附加摩擦力矩： 上述三項合計： （2）

12、快速移動時所需力矩（3）最大切削負載時所需力矩 從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，此項作為初選步進電動機的依據。從課程設計指導書P36表4-13查出，當步進電動機為三相六拍時，。最大靜力矩。按此最大靜轉矩從下表3-3（源數據來自網站和）查出，110BYG3503型最大靜轉矩為。大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但還必須進一步校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性。表3-3110BYG35010.63110-2205121600>=3011144110BYG35020.63110-2205161600>=3015182110BYG35030.63110-2205201600>=30182613.5.3 計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻